JP2014066654A - 電磁超音波探触子および電磁超音波探傷装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電磁超音波探触子の隣接する磁界発生部が発生する静磁界の相互干渉を抑制し、静磁界の相互干渉による検査精度の低下の少ない電磁超音波探触子および電磁超音波探傷装置を得る。
【解決手段】 被検体４に渦電流を発生させるコイル１と、被検体４に静磁界を与える複数の電磁石２と、複数の電磁石２に接続され、複数の電磁石２のうち励磁する電磁石２を選択して切り替える電磁石励磁部３とを備える電磁超音波探触子および電磁超音波探傷装置。
【選択図】 図１

Description

この発明は、被検体に非接触で超音波を発生、検出して被検体の探傷検査を行う電磁超音波探触子および電磁超音波探傷装置に関する。

金属の板や管等の被検体に非接触で超音波の発生や検出を行う方法として、電磁超音波探触子（Electromagnetic Acoustic Transducer : ＥＭＡＴ、以下ＥＭＡＴと記す）を利用した方法が知られている。一般にＥＭＡＴは、高周波電流を流すコイルと、静磁界を与える永久磁石等の磁界発生部により構成されている。

ＥＭＡＴは、コイルを流れる電流の高周波振動により、被検体表面近傍に生じる渦電流と、磁界発生部によって被検体中に作られる静磁界との相互作用によりローレンツ力を発生させ、このローレンツ力で被検体を振動させることにより、被検体中に超音波を発生させるものである。また、逆の物理現象により被検体中を伝搬する超音波を検出することができる。

このため、接触媒質を必要とせず、非接触で超音波の送受信を行うことができる。また、磁石やコイルの構成により種々のモードの超音波を発生・検出することができる。

このＥＭＡＴの従来技術として、例えば、特許文献１に示された永久磁石とコイルから構成されるＥＭＡＴがある。特許文献１では、このＥＭＡＴを用いたボルトの軸力測定方法について示されている。

特開２００２−２７７３３６号公報（図１）

上述のような従来のＥＭＡＴにおいては、大面積の被検体を効率的に検査する場合や、複数箇所の検査を行う場合、複数のＥＭＡＴを利用する必要がある。

しかしながら、複数のＥＭＡＴを利用すると、隣接するＥＭＡＴ間で磁界発生部より生じる静磁界が相互干渉してしまい、静磁界の方向が所望の方向とならず、結果として被検体に所望のローレンツ力を生じさせることができない。このため、被検体での振動モードが変化したり、超音波の送受信感度が低下したりする問題がある。

この発明は上述のような課題を解決するためになされたものであり、隣接するＥＭＡＴ間の相互干渉を抑制して、高精度の検査を効率的に行うことを可能なＥＭＡＴおよび電磁超音波探傷装置を得ることを目的とする。

この発明による電磁超音波探触子は、被検体に静磁界を与える複数の電磁石と、被検体に渦電流を発生させるコイルと、複数の電磁石のうち励磁する電磁石を選択して切り替える電磁石励磁部とを備えたものである。

この発明によれば、大面積の被検体等において複数個所の検査を行う場合に、複数の検査箇所における静磁界の相互干渉を抑制して効率的に高精度の検査をすることができる。

この発明の実施の形態１に係るＥＭＡＴの構造を示す図である。 ＥＭＡＴによる超音波の発生原理を示す断面図である。 この発明の実施の形態１に係るＥＭＡＴにおける被検体表面のローレンツ力シミュレーションモデルの構成を示す図である。 ２個のＥＭＡＴを隣接して配置する場合の被検体表面のローレンツ力シミュレーションモデルの構成を示す図である。 図３および図４のモデルによるシミュレーション結果のグラフである。 （ａ）はこの発明の実施の形態２に係るＥＭＡＴの構造を示す断面図であり、（ｂ）は同じくこの発明の実施の形態２に係るＥＭＡＴの構造を示す側面図である。 この発明のＥＭＡＴを用いた電磁超音波探傷装置の構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態を、図を参照して説明する。なお、以下の説明では、同一部または相当の部分には、同一の符号を付している。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１に係るＥＭＡＴについて説明する。図１はこの発明の実施の形態１に係るＥＭＡＴの概略構造を示す図である。この発明の実施の形態１に係るＥＭＡＴは、コイル１、複数の電磁石２、電磁石励磁部３から構成されている。コイル１は、銅等からなる導線がトラック状に複数回巻かれたものであり、交流電源（図示せず）に接続されている。複数の電磁石２は、静磁界を発生させるものであり、本実施の形態では２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄの４個で構成している。電磁石２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄはそれぞれ電磁石励磁部３に接続されている。

実施の形態１に係るＥＭＡＴは、被検体４の近傍に配置することにより、被検体４中に超音波を発生させ、この超音波により被検体４を検査することができる。

ここで、実施の形態１に係るＥＭＡＴによる超音波の発生原理を、図を用いて説明する。図２は、ＥＭＡＴによる超音波の発生原理を説明するために、図１のＡ‐Ａ’部の断面を示す図である。

ＥＭＡＴによる超音波の駆動力としては、ローレンツ力を用いる。図２に示すように、コイル１に交流電流が流れると、導電性材料である被検体４の表層部には、コイル１に流れる電流に対応し、逆極性の渦電流５が生じる。一方、電磁石励磁部３（図示せず）によって励磁された電磁石２ａにより静磁界６が形成される。これらの渦電流５と静磁界６の相互作用により、被検体４にはローレンツ力７が生じる。

ここで、コイル１には交流電流が流れているため、コイル１に流れる電流の極性の変化に合わせて渦電流５の極性も変化する。したがって、ローレンツ力７の方向も変化するため、ローレンツ力７の方向の変化により被検体４には振動が生じる。この振動により超音波が励振されるため、被検体４中に超音波が伝搬する。

以下、実施の形態１に係るＥＭＡＴの動作について説明する。実施の形態１に係るＥＭＡＴは、複数の電磁石２が電磁石励磁部３に接続されている。電磁石励磁部３は複数の電磁石２のうち励磁する電磁石を選択して切り替えることができる。励磁する電磁石の切り替えは、接点を有する機械的なスイッチや、電気信号によりＯＮとＯＦＦを制御する半導体スイッチ等により実現することができる。

電磁石励磁部３により選択された電磁石以外は励磁されず、静磁界を生じない。従って、電磁石間での静磁界の干渉が生じることがなく、被検体４に生じるローレンツ力は、所望の方向に生じるとともにその大きさが低下することはない。よって、被検体４に生じる振動の振動モードの変化もなく、また、振動変位を低下させることもないため、前記振動により発生する超音波への影響が生じることがない。

結果として、超音波の送受信感度の劣化を低減でき、また検査精度の劣化を低減することができる。

さらに、実施の形態１に係るＥＭＡＴでは、複数の電磁石２が１個のコイル１を共有しているので、従来のＥＭＡＴを複数利用する場合と比較して、部品点数を少なくすることができ、製造コストを低減することができる。

次に、実施の形態１のＥＭＡＴの効果をシミュレーションにより検証した結果について説明する。図３及び図４は、被検体４の表面でのローレンツ力分布を求めるためのシミュレーションモデルである。

図３は実施の形態１のＥＭＡＴに係るものであり、コイル１と２個の電磁石２ａ、２ｂを被検体４の中央に配置した状態を示している。一方、図４は２個のＥＭＡＴを隣接して配置した場合のシミュレーションモデルであり、コイル１及び２個の永久磁石等の静磁界発生部８ａ、８ｂを、被検体４の中央に配置した状態を示している。図３、図４において、被検体４の中央を原点Ｏで示しており、図中で原点Ｏより左側が負側の位置、右側が正側の位置である。

図３では、電磁石励磁部３（図示せず）により、電磁石２ａのみ励磁した場合を想定し、被検体４に生じるローレンツ力分布を求めた。なお、シミュレーションでは、図３および図４でのコイル１の駆動電流は同じとした。また、図３の電磁石２ａの磁力と図４の静磁界発生部８ａ、８ｂの磁力は同じとした。

図５は、図３及び図４に示すシミュレーションモデルを用い、被検体４の表面に生じるローレンツ力の分布を計算した結果である。図５は、横軸を被検体４の中心である原点Ｏからの被検体４の表面での位置とし、縦軸を被検体４の表面に生じる水平方向のローレンツ力としている。図５において、実線９は図３に示す実施の形態１のＥＭＡＴによるローレンツ力分布のシミュレーション結果を示し、破線１０は図４のシミュレーションモデルにおけるローレンツ力分布のシミュレーション結果を示している。

図５において、被検体４の負側の位置が図３のシミュレーションモデルにおける励磁する電磁石２ａに対応するため、負側の位置に着目する。被検体４の負側の位置での両者のローレンツ力分布を比較すると、図４のシミュレーションモデルでは、隣接するＥＭＡＴの静磁界の相互干渉がローレンツ力に影響を与え、結果としてローレンツ力が低下している。よって、ローレンツ力の最大値は、実施の形態１のＥＭＡＴの方が大きくなることを確認できる。

以上の結果より、実施の形態１のＥＭＡＴとすることにより、隣接する磁石間の相互干渉が抑制され、ローレンツ力の低下が抑圧される。よって、被検体４に生じる振動を劣化させることがないため、振動により発生する超音波への影響もなく、検査精度の劣化を低減することができる。

なお、実施の形態１のＥＭＡＴでは、図１において、電磁石２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄは、Ｎ極を下側に向けて設け、Ｓ極を上側に向けて設けているが、本発明のＥＭＡＴに使われる磁石の数及び配列は、これに限るものではなく、所望の振動モードに応じ、いかなる電磁石の数及び配列としてもよい。

コイル１の形状を矩形として設けているが、本発明のＥＭＡＴに使われるコイルは、これに限るものではなく、被検体４の形状に応じ、いかなる形状のコイルとしてもよい。また、コイルの数を１個に限るものではなく、複数のコイルを備えてもよい。

実施の形態２．
以下、この発明の実施の形態２に係るＥＭＡＴについて説明する。図６は本発明の実施の形態２に係るＥＭＡＴの概略構造を示す図である。この発明の実施の形態２に係るＥＭＡＴは、コイル１、複数の電磁石２、電磁石励磁部３、ホルダ１１を有している。コイル１は、銅等からなる導線であり、ホルダ１１に複数回巻かれており、交流電源（図示せず）に接続されている。複数の電磁石２は、静磁界を発生させるものであり、本実施の形態では２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄの４個で構成している。電磁石２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄはそれぞれ電磁石励磁部３に接続されている。ホルダ１１は、非金属材料を主材料とし、パイプ、棒部材等の被検体４が通過できるように、中空部が形成されている。

実施の形態２のＥＭＡＴの基本的な動作は、実施の形態１のＥＭＡＴと同様であるので、異なる部分のみ説明する。実施の形態２のＥＭＡＴでは、コイル１がホルダ１１に複数回巻かれており、ホルダ１１は中空部を有しているため、被検体４を検査する場合は、被検体４をホルダ１１の中空部を通過させることができる。

実施の形態２に係るＥＭＡＴでは、ホルダ１１の中空部を通過する被検体４には、電磁石励磁部３により選択され励磁された電磁石２により静磁界が生じ、また、コイル１に交流が流されることにより、渦電流が生じる。これらの静磁界と渦電流により、ローレンツ力が発生し、被検体４の表面が振動するため、超音波が発生、伝搬する。この超音波により被検体４を検査することができる。

このとき、複数の電磁石２は電磁石励磁部３により選択された電磁石のみが励磁される。励磁されている電磁石２の近傍以外では静磁界が生じないため、電磁石間での静磁界の干渉が生じない。このため、被検体４に生じるローレンツ力は、所望の方向に生じるとともにその大きさが低下することはない。よって、被検体４に生じる振動の振動モードの変化もなく、また、振動変位を低下させることもないため、振動により発生する超音波への影響がない。結果として、超音波の送受信感度の劣化を低減でき、また検査精度の劣化を低減することができる。

さらに、実施の形態２に係るＥＭＡＴでは、複数の電磁石２が１個のコイル１を共有しているため、従来のＥＭＡＴを複数利用する場合と比較し、部品点数を少なくすることができ、製造コストを低減することができる。

また、被検体４がホルダ１１の中空部を移動するとともに、電磁石励磁部３により励磁される電磁石２を順次切り替えることにより、被検体４における超音波の発生箇所、すなわち検査箇所がらせん状となるため、効率的に被検体４の検査を行うことができる。

なお、実施の形態２のＥＭＡＴでは、図６において、電磁石２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄは、Ｎ極を被検体側に向けて設け、Ｓ極を被検体の反対側に向けて設けているが、本発明のＥＭＡＴに使われる磁石の数及び配列は、これに限るものではなく、所望の振動モードに応じ、いかなる電磁石の数及び配列としてもよい。

また、図６において、ホルダ１１の中空部が丸型となるようにコイル１を円環状としているが、本発明のＥＭＡＴに使われるホルダ及びコイルの形状は、これに限るものではなく、検査体４の形状に応じ、いかなる形状としてもよい。また、コイルの数を１個に限るものではなく、複数のコイルを備えても良い。

実施の形態３．
次に、上述した実施の形態１または実施の形態２のＥＭＡＴを用いて構成した電磁超音波探傷装置について示す。図７は本発明の電磁超音波探傷装置の構成例を示すブロック図である。

図７において、電磁超音波探傷装置１００は、ＥＭＡＴ１０１、交流電源１０２、制御部１０３を有している。ここでＥＭＡＴ１０１は実施の形態１に記載のＥＭＡＴと同様の構成を有している。

ＥＭＡＴ１０１は超音波の発生と検出を行う。交流電源１０２はＥＭＡＴ１０１のコイル１に交流電流を流し、被検体４の表面に渦電流を発生させる。制御部１０３はＥＭＡＴ１０１の電磁石励磁部３を制御し、ＥＭＡＴ１０１は制御部１０３の制御に従って複数の電磁石２より励磁する電磁石２を選択して励磁し、被検体４に静磁界を発生する。

渦電流と静磁界により発生するローレンツ力７によって被検体４に励振した超音波は、被検体４内を伝播し、被検体４内の欠陥１０４において反射し、反射した超音音波は再びＥＭＡＴ１０１で検出される。制御部１０３は検出した信号を解析して、被検体４の欠陥部を特定し被検体４の検査を行う。

ここではＥＭＡＴ１０１を実施の形態１のＥＭＡＴとしたが、実施の形態２のＥＭＡＴとして構成することも可能である。

１ コイル、２，２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ 電磁石、３ 電磁石励磁部、４ 被検体、５ 渦電流、６ 静磁界、７ ローレンツ力、８，８ａ，８ｂ 静磁界発生部、９ 本発明に係るローレンツ力分布、１０ 静磁界の相互干渉がある場合のローレンツ力分布、１１ ホルダ、１００ 電磁超音波探傷装置、１０１ ＥＭＡＴ、１０２ 交流電源、１０３ 制御部、１０４ 欠陥

Claims (5)

1. 被検体に静磁界を与える複数の電磁石と、
   前記被検体に渦電流を発生させるコイルと、
   前記複数の電磁石に接続され、前記複数の電磁石のうち励磁する電磁石を選択して切り替える電磁石励磁部と、
   を備える電磁超音波探触子。
2. 前記コイルは平面状に巻かれており、前記複数の電磁石は前記平面状のコイルの面上に配置される、ことを特徴とする請求項１に記載の電磁超音波探触子。
3. 前記コイルは立体状に巻かれており、内部に前記被検体を通すことが可能な中空部を有し、前記複数の電磁石は前記立体状に巻かれたコイルの側面に配置される、ことを特徴とする請求項１に記載の電磁超音波探触子。
4. 前記コイルは環状をなしており、前記複数の電磁石は、前記環状のコイルの外周上に配置される、ことを特徴とする請求項１に記載の電磁超音波探触子。
5. 請求項１から請求項４に記載のいずれかの電磁超音波探触子を備える電磁超音波探傷装置。

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